Concepção de um sistema de propulsão elétrica para um trator de 9 KW adequado para agricultura familiar

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA. RODNEI REGIS DE MELO. CONCEPÇÃO DE UM SISTEMA DE PROPULSÃO ELÉTRICA PARA UM TRATOR DE 9 kW ADEQUADO PARA AGRICULTURA FAMILIAR. FORTALEZA 2019.

(2) RODNEI REGIS DE MELO. CONCEPÇÃO DE UM SISTEMA DE PROPULSÃO ELÉTRICA PARA UM TRATOR DE 9 kW ADEQUADO PARA AGRICULTURA FAMILIAR. Tese apresentada ao Programa de PósGraduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Ceará, como parte dos requisitos para obtenção do título de Doutor em Engenharia Elétrica. Área de concentração: Eletrônica de Potência. Orientador: Prof. PhD. Fernando Luiz Marcelo Antunes. Coorientador: Prof. Dr.-Ing. Sérgio Daher.. FORTALEZA 2019.

(3) Dados Internacionais de Catalogação na Publicação Universidade Federal do Ceará Biblioteca Universitária Gerada automaticamente pelo módulo Catalog, mediante os dados fornecidos pelo(a) autor(a). M486c. Melo, Rodnei Regis de. Concepção de um sistema de propulsão elétrica para um trator de 9 kW adequado para agricultura familiar / Rodnei Regis de Melo. – 2019. 174 f. : il. color. Tese (doutorado) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Fortaleza, 2019. Orientação: Prof. Dr. Fernando Luiz Marcelo Antunes. Coorientação: Prof. Dr. Sérgio Daher. 1. Sistema de propulsão elétrica. 2. Trator elétrico. 3. Agricultura familiar. 4. Energias renováveis. I. Título. CDD 621.3.

(4) RODNEI REGIS DE MELO. CONCEPÇÃO DE UM SISTEMA DE PROPULSÃO ELÉTRICA PARA UM TRATOR DE 9 kW ADEQUADO PARA AGRICULTURA FAMILIAR. Tese apresentada ao Programa de PósGraduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Ceará, como parte dos requisitos para obtenção do título de Doutor em Engenharia Elétrica. Área de concentração: Eletrônica de Potência. Aprovada em: 20/12/2019.. BANCA EXAMINADORA. _________________________________________ Prof. PhD. Fernando Luiz Marcelo Antunes (Orientador) Universidade Federal do Ceará (UFC). _________________________________________ Prof. Dr.-Ing. Sérgio Daher (Coorientador) Universidade Federal do Ceará (UFC). _________________________________________ Prof. Dr. Daniel Albiero Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). _________________________________________ Prof. Dr. Auzuir Ripardo de Alexandria Instituto Federal do Ceará (IFCE). _________________________________________ Prof. Dr. Ricardo Silva The Pontes Universidade Federal do Ceará (UFC). _________________________________________ Prof. Dr. Fabrício Gonzalez Nogueira Universidade Federal do Ceará (UFC).

(5) A Camila, minha esposa, e a nossa princesinha Isabel..

(6) AGRADECIMENTOS. Agradeço inicialmente ao Instituto Federal do Ceará, pelo apoio conferido para vencer este grande desafio com sucesso. Aos professores PhD. Fernando Luiz Marcelo Antunes e Dr.-Ing. Sérgio Daher, que sempre contribuíram com suas precisas pontuações. Ao Prof. Dr. Daniel Albiero e ao Dr. Hans Heinrich Vogt, que colaboraram de forma significativa para o desenvolvimento do projeto. Aos professores e amigos do IFCE, que sempre me apoiaram neste processo. A minha família, por estar sempre presente e torcendo por mim..

(7) “A simplicidade é o último grau de sofisticação”. (Leonardo da Vinci).

(8) RESUMO. Inserida em um novo conceito de motorização agrícola, esta tese aborda a proposição e análise de desempenho de um sistema de propulsão elétrica com sistema de acionamento embarcado para um trator elétrico de pequeno porte. Um sistema de propulsão foi projetado com uma potência nominal de 9 kW e implementado em um protótipo de trator elétrico construído em escala real, baseado na avaliação das condições de vida e ambiente de trabalho da agricultura familiar no Brasil. Sua estrutura é formada por uma Unidade de Comando Eletrônico (UCE), dois inversores e dois motores de indução trifásicos. Um algoritmo foi aplicado para promover funcionalidades de controle, objetivando maior flexibilidade de uso e melhoria de desempenho com o sistema proposto. Uma estrutura de supervisão também foi proposta para armazenamento de dados e análise de desempenho. Para investigar o devido desempenho do sistema de propulsão elétrica com sistema de acionamento embarcado do trator elétrico foram realizados testes práticos de tração em diferentes cenários e configurações, para os quais a metodologia utilizada foi baseada no documento CODE 2 – código padrão da OCDE para ensaio oficial de desempenho de tratores (OECD, 2017). Com os ensaios de tração realizados, em que se atingiu uma força de tração média entre 2602,46 N e 2870,22 N e potência média da barra de tração entre 4026 W e 4204,87 W, ficou comprovado que o trator elétrico oferece plena capacidade de tração, compatível para o desenvolvimento de atividades da agricultura familiar, sem comprometer sua estrutura eletromecânica. Também, com os dados obtidos dos testes em campo, foi possível constatar que, para realizar o mesmo trabalho, o trator elétrico apresentou uma considerável melhoria em termos de estabilidade e consumo energético quando adotado o controle de patinagem implementado. A energia consumida nos ensaios sem controle de patinagem ativo variou entre 29,5 Wh e 32 Wh. Já para os ensaios com o controle de patinagem ativo, a energia consumida variou entre 17,1 Wh e 18,55 Wh. Ou seja, houve uma economia de 42% de energia com a implementação do controle proposto. Assim, os resultados experimentais comprovaram as evidências de que o sistema proposto é tecnicamente viável em termos de versatilidade de condução e desempenho em eficiência de tração e consumo energético.. Palavras-chave: Sistema de propulsão elétrica. Trator elétrico. Agricultura familiar. Energias renováveis..

(9) ABSTRACT. Inserted in a new concept of agricultural motorization, this thesis deals with the proposition and analysis of the performance of an electric propulsion system with the embedded drive system for a small electric tractor. A propulsion system was designed with a nominal power of 9 kW and implemented in a prototype electric tractor built on a real scale, based on the evaluation of living conditions and working environment of family agriculture in Brazil. Its structure is formed by an Electronic Command Unit (ECU), two inverters and two three-phase induction motors. An algorithm was applied to promote control functionalities aiming at greater use flexibility and performance improvement with the proposed system. A supervisory framework was also proposed for data storage and performance analysis. In order to investigate the proper performance of the electric propulsion system with the electric tractor embedded drive system, practical traction tests were carried out in different scenarios and configurations, where the methodology used was based on the CODE 2 document - OECD standard code for official performance testing of tractors (OECD, 2017). With the tensile tests performed, in which an average tensile force between 2602.46 N and 2870.22 N, and an average drawbar power between 4026 W and 4204.87 W were achieved, it was proved that the electric tractor offers full traction capacity, compatible for the development of family farming activities, without compromising its electromechanical structure. Also, with the data obtained from the field tests, it was found that to perform the same work the electric tractor showed a considerable improvement in terms of stability and energy consumption when adopting the implemented slip control. The energy consumed in the tests without active slip control ranged from 29.5 Wh to 32 Wh. For the tests with active slip control, the energy consumed ranged from 17.1 Wh to 18.55 Wh. That is, there were 42% energy savings with the implementation of the proposed control. Thus, the experimental results proved the evidence that the proposed system is technically viable in terms of driving versatility and performance in traction efficiency and energy consumption.. Keywords: Electric propulsion system. Electric tractor. Family farming. Renewable energy..

(10) LISTA DE FIGURAS. Figura 1. - Agricultura sustentável com uso de fontes de energia limpa e renovável ........... 24. Figura 2. - Protótipos de tratores elétricos de grandes fabricantes ........................................ 28. Figura 3. - Diagrama do sistema de controle com barramento CAN em trator elétrico híbrido ................................................................................................................. 30. Figura 4. - Protótipo trator elétrico desenvolvido por Chen et al. (2016) ............................. 30. Figura 5. - Representação esquemática da função de controle LTCS ................................... 31. Figura 6. - Micro geração distribuída para a agricultura familiar ......................................... 33. Figura 7. - Estrutura geral do algoritmo do controle de tração proposto por Han et al. (2018) .................................................................................................................. 35. Figura 8. - Estrutura do sistema de estabilidade proposto por Yin, Sun e Hu (2019) ........... 36. Figura 9. - Trator agrícola...................................................................................................... 37. Figura 10 - Força de tração máx. versus potência no motor................................................... 39 Figura 11 - Eficiência de tração versus patinagem para diferentes condições do solo .......... 40 Figura 12 - Arquiteturas de sistemas de propulsão para tratores elétricos ............................. 42 Figura 13 - Trator elétrico com múltiplos sistemas de armazenamento de energia ............... 43 Figura 14 - Curvas características de potência e torque do motor elétrico............................. 44 Figura 15 - Enrolamento trifásico balanceado ........................................................................ 46 Figura 16 - Circuito equivalente de máquinas de indução ..................................................... 47 Figura 17 - Sistema trifásico dos enrolamentos do estator e do rotor de um motor de indução ................................................................................................................ 48 Figura 18 - Sistema bifásico αβ equivalente dos enrolamentos do estator e do rotor ............ 49 Figura 19 - Vetor espacial da corrente do estator no referencial estacionário αβ .................. 50 Figura 20 - Vetor espacial da corrente do estator no referencial dinâmico dq ....................... 50 Figura 21 - Circuito de um inversor trifásico ......................................................................... 52 Figura 22 - Modbus com padrão RS-485 ............................................................................... 56 Figura 23 - Sinal de transmissão no modo RTU .................................................................... 57 Figura 24 - Níveis de tensão em uma rede CAN .................................................................... 59 Figura 25 - Tipos de controle ................................................................................................. 61 Figura 26 - Configuração geral do controle escalar ............................................................... 62 Figura 27 - Diagrama de blocos geral de um sistema de controle vetorial para um motor de indução trifásico ............................................................................................. 63.

(11) Figura 28 - Layout do sistema de propulsão elétrica no trator ............................................... 67 Figura 29 - Etapas de projeto.................................................................................................. 68 Figura 30 - Arquitetura do Sistema de Propulsão Elétrica ..................................................... 69 Figura 31 - Sensores utilizados no Trator Elétrico ................................................................. 71 Figura 32 - Diagrama elétrico UCE ........................................................................................ 72 Figura 33 - Diagrama de bloco da UCE ................................................................................. 73 Figura 34 - Funcionalidades de acionamento do trator elétrico ............................................. 74 Figura 35 - Sistema de acionamento e controle do trator elétrico .......................................... 75 Figura 36 - Diagrama de blocos simplificado com controle de patinagem ............................ 75 Figura 37 - Modelo trator elétrico .......................................................................................... 76 Figura 38 - Sistema com controle de patinagem .................................................................... 78 Figura 39 - Sinais de controle UCE ........................................................................................ 78 Figura 40 - Sistemas de Supervisão do Trator Elétrico .......................................................... 79 Figura 41 - Sistema de Supervisão desenvolvido no software Elipse SCADA....................... 80 Figura 42 - Ferramenta Organizer no software Elipse SCADA.............................................. 81 Figura 43 - Sistema de interface e monitoramento desenvolvido com MIT Inventor App ..... 82 Figura 44 - Sistema de Supervisão desenvolvido no software C++ Builder ......................... 83 Figura 45 - Sistema de Controle ............................................................................................. 84 Figura 46 - Estrutura com controlador PI ............................................................................... 85 Figura 47 - Polo do modelo ARX identificado....................................................................... 88 Figura 48 - Polo do modelo discretizado ................................................................................ 89 Figura 49 - Resposta ao degrau dos modelos da planta .......................................................... 89 Figura 50 - Polos do modelo de referência ............................................................................. 90 Figura 51 - Polos-zero do modelo de referência discretizado ................................................ 90 Figura 52 - Resposta ao degrau dos modelos de referência ................................................... 91 Figura 53 - Polos e zero do modelo em malha fechada discretizado ..................................... 92 Figura 54 - Resposta ao degrau do modelo em malha fechada discretizado .......................... 92 Figura 55 - Simulação da malha de controle utilizando o PSIM ............................................ 93 Figura 56 - Resposta ao degrau do sistema em malha fechada .............................................. 94 Figura 57 - Resposta ao degrau do sistema em malha fechada para vários níveis de referência de velocidade ...................................................................................... 95 Figura 58 - Simulação PSIM do controle de patinagem implementado no trator elétrico ..... 95 Figura 59 - Simulação trator elétrico com rotação máxima nos motores de tração ajustada em 800 rpm ........................................................................................... 96.

(12) Figura 60 - Sequência de testes de acordo com a técnica utilizada no acionamento dos motores ....................................................................................................... 100 Figura 61 - Pista de concreto padrão no Departamento de Engenharia Agrícola (DENA) – UFC ................................................................................................. 101 Figura 62 - Protótipo do trator elétrico sob teste .................................................................. 102 Figura 63 - Sistema de monitoramento da força de tração do trator elétrico ....................... 103 Figura 64 - Diagrama do Fluxo de Potência ......................................................................... 105 Figura 65 - Teste com trator elétrico TTE#00 sem carga com deslocamento de 1 km realizado no Campus do Pici da Universidade Federal do Ceará – UFC .......... 106 Figura 66 - Gráfico de rotação dos motores de tração nas rodas de tração durante o teste realizado em circuito de 1 km com o trator elétrico .......................................... 106 Figura 67 - Gráfico de velocidade do trator elétrico durante o teste realizado em circuito de 1 km .............................................................................................................. 107 Figura 68 - Gráfico de potência do banco de baterias do trator elétrico durante o teste realizado em circuito de 1 km ........................................................................... 107 Figura 69 - Gráficos de rotação dos motores de tração e patinagem nas rodas de tração durante os três ensaios realizados em pista de concreto sem carga com o trator elétrico ..................................................................................................... 108 Figura 70 - Gráfico comparativo de velocidade do trator elétrico durante os três ensaios realizados em pista de concreto sem carga ........................................................ 109 Figura 71 - Medições realizadas no banco de baterias durante os três ensaios realizados em pista de concreto sem carga ......................................................................... 110 Figura 72 - Gráficos de rotação dos motores de tração e patinagem nas rodas de tração durante os três ensaios realizados em campo sem carga com o trator elétrico . 111 Figura 73 - Gráfico comparativo de velocidade do trator elétrico durante os três ensaios realizados em solo firme sem carga .................................................................. 112 Figura 74 - Medições realizadas no banco de baterias durante os três ensaios realizados em campo sem carga ......................................................................................... 113 Figura 75 - Teste de tração em pista de concreto padrão do Departamento de Engenharia Agrícola (DENA) - UFC ................................................................................... 114 Figura 76 - Gráficos de rotação dos motores de tração e patinagem nas rodas de tração durante os três ensaios realizados em pista de concreto com carga .................. 115 Figura 77 - Gráfico comparativo de velocidade do trator elétrico durante os três ensaios realizados em pista de concreto com carga ....................................................... 116.

(13) Figura 78 - Gráfico comparativo de força medida na barra de tração durante os três ensaios realizados em pista de concreto com carga .......................................... 116 Figura 79 - Medições realizadas no banco de baterias durante os três ensaios realizados em pista de concreto com carga ....................................................................... 117 Figura 80 - Teste em solo firme com carga: trator elétrico com carga composta por um pulverizador agrícola acoplado a um trator ICE de 10,3 kW (TC14 - Yanmar Agritech) ............................................................................................................ 118 Figura 81 - Gráficos de rotação dos motores de tração e patinagem nas rodas de tração durante os três ensaios realizados em solo firme com carga e sem controle de patinação ativo .............................................................................................. 120 Figura 82 - Estatística descritiva relacionada aos dados de patinagem dos três ensaios com o trator elétrico realizados em solo firme com carga e sem controle de patinação ativo................................................................................................... 121 Figura 83 - Gráfico comparativo de velocidades do trator elétrico durante os três ensaios realizados em solo firme com carga e sem controle de patinação ativo............ 122 Figura 84 - Gráfico comparativo das medições de potências realizadas no banco de baterias do trator elétrico durante os três ensaios em solo firme com carga e sem controle de patinação ativo...................................................................... 122 Figura 85 - Gráfico comparativo de energia consumida no banco de baterias durante os três ensaios com o trator elétrico realizados em solo firme com carga e sem controle de patinação ativo ................................................................................ 123 Figura 86 - Gráficos de rotação dos motores de tração e patinagem nas rodas de tração durante os três ensaios realizados em solo firme com carga e com a patinagem controlada pelo operador via pedal de aceleração ........................... 124 Figura 87 - Estatística descritiva relacionada aos dados de patinagem dos três ensaios com o trator elétrico realizados em solo firme com carga e com a patinagem controlada pelo operador via pedal de aceleração ............................................. 125 Figura 88 - Gráfico comparativo de velocidades do trator elétrico durante os três ensaios realizados em solo firme com carga e com a patinagem controlada pelo operador via pedal de aceleração....................................................................... 126 Figura 89 - Gráfico comparativo das medições de potências realizadas no banco de baterias do trator elétrico durante os três ensaios em solo firme com carga e com a patinagem controlada pelo operador via pedal de aceleração .............. 127.

(14) Figura 90 - Gráfico comparativo de energia consumida no banco de baterias durante os três ensaios com o trator elétrico realizados em solo firme com carga e com a patinagem controlada pelo operador via pedal de aceleração ........................ 127 Figura 91 - Gráficos de rotação dos motores de tração e patinagem nas rodas de tração durante os três ensaios realizados em solo firme com carga e com controle de patinação ativo .............................................................................................. 128 Figura 92 - Estatística descritiva relacionada aos dados de patinagem dos três ensaios com o trator elétrico realizados em solo firme com carga e com controle de patinagem ativo ............................................................................................ 130 Figura 93 - Cartas de controle relacionados aos dados de patinagem dos três ensaios com o trator elétrico realizados em solo firme com carga e com controle de patinagem ativo ............................................................................................ 131 Figura 94 - Gráfico comparativo de velocidades do trator elétrico durante os três ensaios realizados em solo firme com carga e com controle de patinação ativo ........... 132 Figura 95 - Gráfico comparativo das medições de potências realizadas no banco de baterias do trator elétrico durante os três ensaios em solo firme com carga e com controle de patinação ativo ..................................................................... 133 Figura 96 - Gráfico comparativo de energia consumida no banco de baterias durante os três ensaios com o trator elétrico realizados em solo firme com carga e com controle de patinação ativo ..................................................................... 133 Figura 97 - Gráfico comparativo do tempo, patinagem e energia consumida durante os nove ensaios com o trator elétrico realizados em solo firme com carga ...... 134 Figura 98 - Estrutura do Trator Elétrico ............................................................................... 146 Figura 99 - Sistema de Transmissão Trator Elétrico ............................................................ 147 Figura 100 - Projeto Trator Elétrico ....................................................................................... 148 Figura 101 - Pesagem Trator Elétrico..................................................................................... 150 Figura 102 - Pré-teste de campo do trator elétrico ................................................................. 151 Figura 103 - UCE ................................................................................................................... 152.

(15) LISTA DE QUADROS. Quadro 1 - Patentes relacionadas a tratores elétricos ............................................................... 26 Quadro 2 - Mercado de tratores ................................................................................................ 27 Quadro 3 - Projetos relacionados a tratores elétricos ............................................................... 32 Quadro 4 - Mensagem no modo RTU ...................................................................................... 57 Quadro 5 - Comparativo entre tipos de baterias aplicadas em veículos elétricos .................... 65 Quadro 6 - Níveis de potência e tensão do barramento CC em modelos de VEs .................... 66 Quadro 7 - Dados característicos dos motores e dos inversores............................................... 68.

(16) LISTA DE TABELAS. Tabela 1 - Folha de dados TTE#01 a TTE#03 ....................................................................... 110 Tabela 2 - Folha de dados TTE#04 a TTE#06 ....................................................................... 113 Tabela 3 - Folha de dados TTE#07 a TTE#09 ....................................................................... 118 Tabela 4 - Folha de dados TTE#10 a TTE#12 ....................................................................... 123 Tabela 5 - Folha de dados TTE#13 a TTE#15 ....................................................................... 127 Tabela 6 - Folha de dados TTE#16 a TTE#18 ....................................................................... 133.

(17) SUMÁRIO. 1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 18. 1.1. Hipótese ......................................................................................................................... 19. 1.2. Objetivos ....................................................................................................................... 20. 1.2.1. Objetivo geral ................................................................................................................. 21. 1.2.2. Objetivos específicos ...................................................................................................... 21. 1.3. Estrutura e contribuições da tese ................................................................................ 22. 1.4. Publicações .................................................................................................................... 23. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................... 24. 2.1. Considerações iniciais .................................................................................................. 24. 2.2. Tratores elétricos: uma abordagem da literatura recente ....................................... 25. 2.3. Revisão dos métodos de controle de movimento ....................................................... 34. 3. TRATORES ELÉTRICOS: FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .............................. 37. 3.1. Tratores agrícolas convencionais ................................................................................ 37. 3.2. Veículos elétricos: sistemas de propulsão elétrica ..................................................... 41. 3.2.1. Motores elétricos............................................................................................................ 43. 3.2.2. Conversores ................................................................................................................... 51. 3.2.3. Sistemas eletrônicos embarcados.................................................................................. 54. 3.2.3.1 Unidade de comando eletrônico .................................................................................... 54 3.2.3.1 Interfaces de comunicação ............................................................................................. 55 3.3. Técnicas de controle para inversores ......................................................................... 60. 3.3.1. O controle escalar.......................................................................................................... 61. 3.3.2. O controle vetorial ......................................................................................................... 62. 3.4. Baterias.......................................................................................................................... 64. 4. O SISTEMA DE PROPULSÃO DO TRATOR ELÉTRICO .................................. 67. 4.1. Proposição do sistema de acionamento e controle..................................................... 67. 4.2. Controle aplicado ao trator elétrico ........................................................................... 84. 4.3. Simulações ..................................................................................................................... 93. 5. IMPLEMENTAÇÕES E RESULTADOS EXPERIMENTAIS ............................ 100. 5.1. Estrutura de testes ...................................................................................................... 100. 5.2. Resultados experimentais .......................................................................................... 105. 5.2.1. Teste preliminar sem carga ......................................................................................... 105.

(18) 5.2.2. Teste em pista de concreto sem carga ......................................................................... 107. 5.2.3. Teste em solo firme sem carga .................................................................................... 111. 5.2.4. Teste em pista de concreto com carga ........................................................................ 114. 5.2.5. Teste em solo firme com carga.................................................................................... 118. 5.2.5.1 Teste em solo firme com carga e sem o controle de patinagem ativo.......................... 119 5.2.5.2 Teste em solo firme com carga e com a patinagem controlada pelo operador via pedal de aceleração ..................................................................................................... 123 5.2.5.3 Teste em solo firme com carga e com controle de patinagem ativo ............................ 128 6. CONCLUSÃO ............................................................................................................ 136 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 138 APÊNDICE A – Protótipo Trator Elétrico .............................................................. 146 APÊNDICE B – Programação UCE ......................................................................... 152 ANEXO A – Inversor de Frequência CVW300 ....................................................... 170 ANEXO B – Bateria DF 4001 .................................................................................... 173.

(19) 18. 1 INTRODUÇÃO A agricultura familiar se destaca como um dos segmentos que mais crescem na produção de alimentos, sendo de grande importância para a segurança alimentar em muitos lugares do mundo. Também tem sido uma grande aliada da sustentabilidade e da responsabilidade. socioambiental. (FAO,. 2017).. Os. estabelecimentos. agropecuários. pertencentes a grupos familiares representam a maioria dos sistemas agrícolas em todo o mundo, cujos tamanhos variam de 1 a 10.000 hectares (BERCHIN et al., 2019). No Brasil, a agricultura familiar é um pilar essencial para a economia, sendo responsável por grande parte da produção de alimentos no país (IBGE, 2006). De acordo com os resultados do último Censo Agropecuário, há no Brasil 5,07 milhões de estabelecimentos agropecuários, sendo que as propriedades rurais que têm até dez hectares representam 50,2% do número total de estabelecimentos (IBGE, 2017). Vale ainda destacar que a região Nordeste concentra o maior número de agricultores familiares do país. Os empreendimentos familiares rurais também apresentam grande potencial para micro geração de energia no campo, por meio de fontes geradoras de energia limpa e renovável (VOGT; ALBIERO; SCHMUELLING, 2018). Nesse cenário, também se destaca que a região Nordeste é, atualmente, o principal foco de investimentos na ampliação da capacidade de geração de energia do país através de fontes limpas, como a eólica e a solar, potencializadas por suas características naturais (sol e vento) propícias. Assim, é possível promover cada vez mais o desenvolvimento sustentável na agricultura familiar, e o uso da agroenergia é fator fundamental dentro do contexto apresentado. Programas e projetos como o PRONAF Programa Nacional de Fortalecimento da Agricultura Familiar (BIANCHINI, 2015), Programa Garantia Safra e Programa Nacional de Alimentação Escolar – Pnae (BRASIL, 2013), Programa Luz para Todos (BRASIL, 2017) e FNE Sol (BNB, 2019) têm sido fundamentais para o fortalecimento dos empreendimentos familiares rurais, contribuindo para melhor qualidade de vida daquelas pessoas, e principalmente dos produtos cultivados em menor escala. A mecanização agrícola também é, atualmente, uma necessidade no Brasil. O aumento da população urbana e da renda per capita demanda maior produção de alimentos (KEPPLE; SEGALL-CORRÊA, 2017). Dessa forma, é extremamente relevante a modernização da agricultura familiar brasileira, para que se possa garantir técnicas agrícolas adequadas e facilitar a produtividade (SEAD, 2017). Os tratores são as grandes ferramentas de trabalho da agricultura moderna, e o Brasil é o quarto maior mercado de tratores agrícolas do mundo, ficando atrás apenas da Índia, China e Estados Unidos. Contudo, existe uma carência.

(20) 19. no mercado nacional de máquinas e implementos de baixa potência, que são mais apropriados para os produtores familiares (ALBIERO et al., 2015). Um trator agrícola com sistema de propulsão elétrica torna-se uma alternativa viável capaz de propiciar melhorias significativas para a agricultura familiar no Brasil e contribuir para a sustentabilidade. Os sistemas de propulsão elétrica para veículos consistem basicamente em motores elétricos, conversores e unidades de comando eletrônicos. O estudo de novas tecnologias de controle e gerenciamento de energia para veículos elétricos torna-se cada vez mais fundamental para garantir um máximo desempenho e excelente autonomia (ZHANG; GÖHLICH, 2017). Assim, esta pesquisa é motivada pela premissa de que tratores elétricos representam uma opção tecnicamente viável para a agricultura familiar brasileira. Conforme revisão da literatura, há pouca pesquisa relacionada a esse tipo de veículo, comparado às relacionadas aos veículos elétricos urbanos. Nessa perspectiva, o protótipo de um trator elétrico foi desenvolvido. Este projeto tem caráter interdiciplinar e seu desenvolvimento é fruto de uma parceria entre os departamentos de Engenharia Elétrica e Engenharia Agrícola da Universidade Federal do Ceará – UFC, inicialmente apresentado em Vogt (2018). Na presente proposta enfatiza-se toda a estrutura eletroeletrônica necessária para o funcionamento do trator elétrico. 1.1 Hipótese Os tratores com propulsão convencional contam com um motor de combustão interna (MCI) em suas estruturas. Em um novo conceito de motorização, os tratores podem ser compostos por sistemas de propulsão elétrica. Tais sistemas de propulsão são a base da estrutura para veículos elétricos e a escolha desses depende de vários fatores: potência útil, velocidade máxima, fonte de energia, peso do veículo, etc. Tendo em vista tais fatores e os diversos aspectos a serem investigados em um projeto (tipos de arquiteturas, motores, conversores, técnicas de acionamento e controle, etc.), não há um consenso e descrição definitiva da metodologia de desenvolvimento e implementação de um sistema de propulsão elétrica completo especificamente projetado para tratores elétricos de pequeno porte na literatura. O que remete às seguintes conjecturas: . Qual o atual panorama de pesquisas, inovações e desenvolvimentos relacionados a. tratores elétricos? . Qual a faixa de potência compatível com a maioria das aplicações na agricultura. familiar?.

(21) 20. . Um sistema de acionamento elétrico de um trator baseado em uma arquitetura. distribuída com dois motores elétricos de indução trifásicos permite uma operação mais flexível e útil? . É possível implementar um sistema embarcado (hardware e software incorporados em. um sistema com objetivo pré-definido) com funcionalidades de controle de acionamento dos motores capaz de otimizar o desempenho e facilitar as manobras típicas envolvidas na atividade rural dos pequenos produtores? Em resposta às questões precedentes é possível supor que a implementação de um sistema de propulsão elétrica projetado para utilização em um trator elétrico de baixa potência pode propiciar significativo desempenho e eficiência no desenvolvimento de atividades agrícolas familiares. Logo, a presente proposta visa apresentar soluções técnicas com embasamento cientifico que viabilizem a devida aplicação do sistema de propulsão elétrica com sistema embarcado para trator elétrico e fazer um estudo analítico de desempenho. O que leva à seguinte hipótese: “Um sistema de propulsão elétrica distribuído, utilizando dois motores de indução trifásicos e uma unidade eletrônica de acionamento embarcada, especialmente projetado para um trator elétrico de pequeno porte proporciona bom desempenho técnico e flexibilidade operacional no desenvolvimento de atividades da agricultura familiar.”. É nesse panorama que a pesquisa aqui abordada tem como propósito identificar alternativas de acionamento e controle que viabilizem/possibilitem a utilização do trator elétrico de forma adequada e eficiente. Posto isso, a pesquisa visa propor um conceito de propulsão elétrica apropriado a um trator elétrico adequado para pequenos produtores agrícolas, e avaliar seu real desempenho técnico. 1.2 Objetivos Esta tese trata do conceito, projeto, implementação e análise de desempenho de um sistema de propulsão elétrica com sistema de acionamento embarcado aplicável a uma nova classe de veículos elétricos empregados exclusivamente para atividades agrícolas. O referido sistema de propulsão é projetado com uma potência nominal total de 9 kW e implementado em um protótipo de trator elétrico construído em escala real. O sistema projetado contém uma.

(22) 21. estrutura distribuída com dois motores elétricos de indução trifásicos, dois inversores, uma Unidade de Comando Eletrônico (UCE) embarcada e um banco de baterias como fonte de energia. O protótipo é utilizado como plataforma experimental para demonstrar ou até mesmo refutar a eficácia do sistema de propulsão elétrica proposto em termos de versatilidade de condução, eficiência de tração e consumo energético. Assim, nesta pesquisa é feita toda a análise teórico-experimental do sistema adequadamente controlado para produzir resultados relevantes acerca de sua performance. 1.2.1 Objetivo geral Com um novo conceito de mecanização agrícola voltada para a agricultura familiar, o objetivo geral desta tese é propor um sistema de propulsão elétrica com sistema de acionamento embarcado para trator elétrico e analisar o seu desempenho. 1.2.2 Objetivos específicos Os objetivos específicos e desafios da presente pesquisa são: . Identificar o atual panorama de pesquisas, inovações e desenvolvimentos relacionados. a tratores elétricos. . Apresentar um novo conceito de motorização agrícola através da concepção e. configuração de um sistema de propulsão elétrica com arquitetura distribuída (dois motores elétricos de tração nas rodas traseiras) do trator elétrico sob investigação, com potência compatível com as atividades inerentes à agricultura familiar; . Promover a implementação do sistema de propulsão elétrica tendo por base a. flexibilidade e variação ampla na característica torque x velocidade que um sistema de propulsão elétrica adequadamente controlado pode permitir; . Desenvolver um sistema eletrônico embarcado (hardware e software) para implementar. funcionalidades no controle de acionamento dos motores, objetivando promover maior versatilidade de operação do trator em manobras típicas envolvidas na atividade rural; . Apresentar uma nova proposta de algoritmo de um sistema de controle de patinagem. para operação em alto torque e otimização de desempenho em diferentes cenários de atuação do trator elétrico; . Desenvolver um sistema de aquisição de dados e supervisão do sistema de propulsão. elétrica proposto que permita o monitoramento de variáveis, tais como: consumo de energia,.

(23) 22. força e potência de tração, eficiência energética, carga e descarga das baterias, autonomia operacional; . Fazer a avaliação final da hipótese baseada nos dados obtidos durante os procedimentos. experimentais realizados. 1.3 Estrutura e contribuições da tese Com uma nova abordagem, esta tese apresenta um novo conceito de mecanização agrícola com a concepção e implementação de um sistema de propulsão para um trator elétrico, apresentando proposições relevantes na implementação e análise de desempenho do referido trator elétrico. A pesquisa começa com uma revisão da literatura sobre sistemas de propulsão elétrica com aplicação em tratores elétricos. Com base na revisão, serão propostas as estratégias tecnológicas do sistema pretendido. A pesquisa prossegue tratando do conceito, projeto e implementação de um sistema de controle e supervisão para coordenar e monitorar a operação do sistema de propulsão do trator elétrico de pequeno porte e fazer a devida análise de desempenho do sistema aqui proposto. Esta tese encontra-se estruturalmente dividida em seis capítulos. Após o Capítulo 1, introdutório, tem-se o Capítulo 2 iniciando a pesquisa com uma revisão da literatura sobre aplicações de sistemas de propulsão elétrica de tratores elétricos. O valor agregado desse capítulo consiste na apresentação de um levantamento detalhado de sistemas aplicados em tratores disponíveis na literatura recente. Com isso, constata-se que, mesmo com uma atual crescente, ainda há poucos estudos que abordaram tais sistemas para veículos agrícolas. No Capítulo 3 tem-se uma abordagem conceitual a respeito de tratores convencionais, sistemas de propulsão eletríca para veiculos elétricos e a bateria como fonte de energia. A principal contribuição desse capítulo é fornecer uma fundamentação teórica para o desenvolvimento da pesquisa proposta. O Capítulo 4 representa o ponto culminante da pesquisa. Ele apresenta a proposição da tese enfatizando o desenvolvimento do projeto do sistema de acionamento e controle aplicado no trator elétrico. Na sequência, tem-se o Capitulo 5 que é tão relevante quanto o anterior. Nele são abordados os resultados experimentais obtidos com os testes realizados com o protótipo. A principal conquista desse capítulo consiste na plataforma experimental, em que a eficácia e análise de desempenho do sistema proposto são demonstradas através de vários testes realizados. No Capítulo 6, são concebidas as conclusões finais do trabalho realizado, de acordo com os resultados obtidos, e estabelecidas propostas para.

(24) 23. trabalhos futuros. O Apêndice A contém uma visão geral do protótipo do trator elétrico empregado na validação experimental deste trabalho. As principais características são: uma arquitetura do sistema de propulsão distribuída, composta de dois inversores e dois motores elétricos de indução trifásicos acoplado às rodas traseiras do trator por meio de um sistema de transmissão por correntes; um sistema embarcado de acionamento e controle identificado como Unidade de Comando Eletrônico (UCE), baseado na tecnologia dsPIC. Por fim, no Apêndice B tem-se o código de programação aplicado na UCE, capaz de controlar simultaneamente os dois inversores/ motores elétricos de tração do trator elétrico. 1.4 Publicações Os seguintes artigos foram publicados e apresentados como contribuições relevantes deste trabalho de pesquisa:. MELO, R. R.; ANTUNES, F. L M.; DAHER, S.; VOGT, H. H.; ALBIERO, D.; TOFOLI, F. L. Conception of an electric propulsion system for a 9 kW electric tractor suitable for family farming. IET Electric Power Applications, v.13, n. 12, p. 1993–2004, 2019. DOI: 10.1049/iet-epa.2019.0353. VOGT, H. H.; MELO, R. R.; ANTUNES, F. L M.; DAHER, S.; ALBIERO, D.; SCHMÜLLING, B. Electric Tractor System propelled by solar energy for family farming in the northeast of Brazil. 9th Brazil-Germany Symposium on Sustainable Development University of Hohenheim, Stuttgart, Germany, September 15-17, 2019..

(25) 24. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA O principal objetivo deste Capítulo é fornecer uma revisão bibliográfica das principais pesquisas, inovações e aplicações relacionadas a sistemas de propulsão elétrica para tratores elétricos encontradas na literatura recente. Dentro desse contexto, também são avaliados sistemas de controle que estão sendo propostos pela literatura para solucionar problemas que envolvem a patinagem em veículos elétricos. A particularidade que a referida patinagem produz no comportamento dinâmico e desempenho em veículos como os tratores em suas atividades será contraposta com os problemas e soluções identificados a fim de contribuir para a elaboração do controle proposto para implementação no trator elétrico experimental. 2.1 Considerações iniciais Veículos elétricos (VEs) são veículos automotores com sistema de propulsão elétrica que utilizam pelo menos um motor elétrico para acionamento das rodas. Esses veículos são mais eficazes em termos de rendimento energético do que os convencionais com motor de combustão interna (MCI) e podem fazer uso da energia proveniente de fontes limpas e renováveis (POULLIKKAS, 2015; TIE; TAN, 2013; VOGT; ALBIERO; SCHMUELLING 2018). A Figura 1 destaca o trator elétrico inserido no contexto da agricultura sustentável que se caracteriza pelo uso de fontes de energia limpa e renovável, evitando o uso de combustíveis fósseis. Figura 1 - Agricultura sustentável com uso de fontes de energia limpa e renovável. REDE ELÉTRICA. ENERGIA EÓLICA. AGRICULTURA FAMILIAR. TRATOR ELÉTRICO. Fonte: Elaborada pelo autor.. ENERGIA SOLAR.

(26) 25. Há, globalmente, um avanço em ritmo acelerado no campo das energias renováveis. Essas são tecnologias inovadoras e inteligentes que podem impulsionar a adoção dos veículos elétricos. A integração inteligente entre mobilidade elétrica e sistemas de geração de energia fotovoltaica, por exemplo, pode otimizar o uso da eletricidade produzida e, consequentemente, contribuir significativamente para aumentar a eficiência energética (LIYOU et al., 2017; HOARAU; PEREZ, 2018). A produção de veículos elétricos vem se consolidando na indústria automotiva como uma das estratégias mais viáveis para reduzir as emissões de poluentes e o consumo de energia (ANDWARI et al., 2017; MONNAY, 2017). Com a aplicação de sistemas cada vez mais inteligentes e integrados, a referida estratégia também tem atraído considerável atenção da indústria de tratores para impulsionar o desenvolvimento de novos veículos com sistemas de propulsão elétrica, propiciando a aceleração da transferência de tecnologias entre os segmentos (JIA; QIAO; QU, 2018). 2.2 Tratores elétricos: uma abordagem da literatura recente Na literatura, tratores são classificados como veículos off-road, non-road ou offhighway, ou seja, veículos “fora de estrada” (MÁS; ZHANG; HANSEN, 2010; MONNAY, 2017). O trator é o símbolo da mecanização na agricultura (SRIVASTAVA et al., 2006). A necessidade de otimização das atividades no campo vem promovendo o aumento de exigências por melhores tecnologias, como máquinas e tratores agrícolas mais eficientes (GAGLIORDI, 2018; SRIVASTAVA et al., 2006). Fernandez, Herrera e Cerrada (2018a e 2018b) ainda destacam que existe um interesse crescente de pesquisa em robótica agrícola e automação para ajudar a melhorar os processos de produção usando recursos, como máquinas, de forma mais eficiente para aumentar a produtividade sem precisar aumentar a área de trabalho. A automação de tratores é essencial nesse processo de melhoria. Atualmente, há um renovado interesse na implementação de sistemas elétricos em tratores, sejam eles para propulsão ou funções auxiliares (YOO et al., 2013; MONNAY, 2017; LAJUNEN et al., 2018). Entre as principais vantagens do uso de tratores elétricos podem ser citadas: emissões zero de CO2; baixo nível de ruído; alta eficiência dos motores elétricos; redução de consumo de energia em atividades intermitentes; utilização de equipamentos e ferramentas elétricas através de uma interface de conexão com as baterias; baixo custo de operação e manutenção. Em 2016, Moreda et al. apresentaram uma revisão do estado da arte sobre o uso de sistemas elétricos em tratores e máquinas agrícolas. Os autores reforçaram que a incorporação de acionamentos elétricos em tratores e máquinas agrícolas apresenta vantagens em termos de.

(27) 26. aumento da eficiência energética e ampliação de funcionalidades. Destacaram, ainda, que em 2002 a Agricultural Industry Electronics Foundation (AEF) desenvolveu o padrão ISO11783 (ISObus) para promover comunicações compatíveis entre o trator e os implementos de qualquer fabricante. Atualmente, a AEF está trabalhando em um padrão para interface de sistemas elétricos compatível entre trator agrícola e implementos (MOREDA et al. 2016). Recentemente, Magalhães et al. (2017) também fizeram uma revisão sobre aplicações de veículos elétricos no campo. Conforme os autores, constata-se que nos últimos 30 anos algumas patentes de projetos relacionados a tratores agrícolas com sistemas elétricos de propulsão foram depositadas, evidenciando a preocupação em apresentar alternativas para substituir os tratores com motor de combustão interna, porém ainda muito incipiente (Quadro 1). Dessa forma, em concordância com Magalhães et al. (2017), é importante e necessário para a área que mais pesquisas e testes sejam feitos com veículos elétricos em aplicações rurais. Quadro 1 - Patentes relacionadas a tratores elétricos. PATENTE. TÍTULO. AUTORES. US4662472A. Electric tractor. Christianson, L.L. et al. (1987). USD355148S. Electric tractor vehicle. Marius Orsolini (1995). USO05743347A. Electric powered small. Newton Roy Gingerich (1998). tractor EP1645456A2. Multifunction electric. Brian Wilfred Edmond (2006). tractor US7828099B2. Electric tractor. Stephen Heckeroth (2010). Fonte: CHRISTIANSON et al. (1987); ORSOLINI (1995); GINGERICH (1998); EDMOND (2006); HECKEROTH (2010).. Entre os projetos apresentados no Quadro 1 não há uma proposição de um sistema distribuído que utilize especificamente dois motores de indução trifásicos gerenciados por uma Unidade de Comando Eletrônico (UCE) e dois inversores de acionamento com baixa potência, compatível para o desenvovimento de atividades na agricultura familiar. Nos últimos anos grandes fabricantes de tratores vêm desenvolvendo seus protótipos de tratores elétricos, porém, com potências elevadas. O Quadro 2 destaca o atual cenário de tratores disponíveis de acordo com a potência..

(28) 27. Quadro 2 - Mercado de tratores. TIPOS DE TRATORES Trator de duas rodas (motocultores ou tratores de rabiças) Microtratores (4x2 ou 4x2 TDA) MCI. ME. Trator de quatro rodas Convencionais (4x2 ou 4x2 TDA) Tração integral (4x4). Trator elétrico (protótipos não comerciais). POTÊNCIA 2 - 11 kW. 12–27 kW. Acima de 33 kW Acima de 80 kW 19 kW 50 kW 200 kW 300 kW. FABRICANTES Tramontini, Yanmar Agritech e Kawashima Agrale, Tramontini, Yanmar Agritech, John Deere e Massey Ferguson Agrale, Case, John Deere, New Holland e Massey Ferguson John Deere e New Holland Escorts Group (Farmtrac 26E) Fendt (Fendt e100 Vario) New Holland (NH2TM) John Deere (SESAM Tractor). Fonte: SILVEIRA (1987); FUTURE FARMING (2017); FENDT (2017); FUEL CELLS BULLETIN (2012); JOHN DEERE (2017).. Os dados apresentados no Quadro 2 evidenciam o amplo domínio dos tratores com motor de combustão interna (MCI) e o estágio inicial de desenvolvimento dos tratores elétricos, dado que os modelos apresentados ainda se encontram em fase de protótipos. Para aplicação na agricultura familiar fica restrito o uso de tratores de duas rodas ou algumas poucas opções de microtratores de quatro rodas. Na agricultura familiar é mais frequente o uso dos motocultores (ALBIERO et al., 2015). Esses, também chamados de “tratores de rabiças”, são tratores de pequeno porte, com baixa potência e podem ser acionados por motores Otto ou Diesel, com partida manual ou elétrica (SILVEIRA, 1987). Como limitação esses modelos possuem apenas um eixo de duas rodas e precisam necessariamente ser acoplados a uma máquina ou implemento para o desenvolvimento de atividades. Entre 2009 e 2011 a New Holland apresentou duas versões do trator elétrico NH2TM com célula combustível de hidrogênio. A segunda versão do trator NH2TM utiliza dois motores elétricos com uma potência nominal de 100 kW cada motor. Apenas um motor é utilizado para tração. O tanque pode conter 8,2 kg de H2 a uma pressão de 350 bar. Esse trator também possui um banco de baterias de Li-Ion de 300 V – 12 kWh (12.000Wh / 300 V = 40 Ah) com uma potência de pico de 50 kW (FUEL CELLS BULLETIN, 2012). O fabricante de tratores Escorts Group lançou em 2017 seu modelo protótipo Farmtrac 26E com um motor elétrico de indução de 19 kW e autonomia de 6 horas de trabalho (FUTURE FARMING, 2017). Também em 2017 a Fendt e a John Deere apresentaram seus protótipos. A AGCO / Fendt.

(29) 28. lançou o Fendt e100 Vario, com um motor elétrico de 50 kW de potência, que pode operar por até 5 horas sob condições reais de operação. A fonte de energia é um banco de baterias de alta capacidade de íons-lítio de 650 V com uma capacidade de cerca de 100 kWh (FENDT, 2017). Já a John Deere, lançou o protótipo de trator SESAM equipado com dois motores elétricos de 150 kW para uma potência total de até 300 kW. Operando no modo padrão, um motor é usado para tração e o outro para a tomada de força TF (ou PTO - power take-off) e implementos no trabalho. As baterias garantem uma autonomia em operação de até quatro horas ao rodar no modo misto ou 55 horas apenas para o transporte (JOHN DEERE, 2017). A Figura 2 destaca alguns protótipos desenvolvidos por fabricantes de tratores e máquinas agrícolas. Figura 2 - Protótipos de tratores elétricos de grandes fabricantes. (a) Fendt e100 Vario.. (b) SESAM - John Deere.. (c) NH2TM - New Holland. Fonte: (a) FENDT (2017); (b) JOHN DEERE (2017); (c) CLEAN ENERGY LEADER (2018).. Ainda no âmbito das pesquisas, em 2001 Arjharn et al. propuseram um estudo preliminar sobre a aplicabilidade de um trator elétrico. Os objetivos desse estudo foram propor.

(30) 29. um protótipo e investigar seu desempenho (ARJHARN et al., 2001a; 2001b). O protótipo proposto foi construído a partir da conversão de um trator convencional trocando o motor diesel de 20 kW por um motor elétrico de corrente contínua de 10 kW. O trabalho dos autores foi dividido em duas partes. Na primeira parte foram apresentados os testes de desempenho focados nas características de consumo de energia e tração da barra de tração do trator elétrico (ARJHARN et al., 2001a). Na segunda parte foi avaliado o desempenho trativo a partir do efeito da alocação de bateria no chassi do trator elétrico (ARJHARN et al., 2001b). Em 2006, Rodrigues et al. avaliaram o desempenho de um microtrator utilizando três tipos diferentes de motores no acionamento: um motor elétrico trifásico de corrente alternada de potência 2,2 kW (220 Vca) a 3465 rpm, um motor elétrico de corrente contínua de tensão de alimentação de 36 Vcc e uma potência de 2,2 kW a 2900 rpm, e um motor de combustão interna (MCI) tipo ciclo “Otto”, dois tempos à gasolina, mono cilíndrico potência nominal de 2,6 kW a 3600 rpm. UEKA et al. (2013) também apresentaram um estudo de desempenho de um trator elétrico. Para o desenvolvimento do protótipo foi utilizada a estrutura de um trator convencional com adaptação de um único motor elétrico trifásico de corrente alternada de 10 kW em substituíção ao motor de combustão interna também de 10 kW. Seo et al. (2013) propuseram o projeto de motor síncrono de ímã permanente de 20 kW para um trator elétrico com base nas características de saída de um trator convencional. Tal trabalho restringe-se à análise do projeto do motor e não apresenta resultados experimentais com efetiva aplicação no acionamento de um trator. Em Paula (2014) é apresentada uma proposta de avaliação da viabilidade operacional de tratores agrícolas movidos a eletricidade. A proposta de avaliação mencionada baseia-se nos resultados obtidos a partir de um protótipo de veículo elétrico construído, em escala reduzida, com um motor de corrente contínua de 40 W. Também, nesse trabalho, é apresentada a proposta de uma configuração teórica de trator elétrico usando apenas um motor elétrico, corroborado em Volpato et al. (2016). Não há, nesses trabalhos, um estudo elaborado acerca do sistema de acionamento e do controle para o trator elétrico ou uma avaliação de desempenho tomando como base um protótipo em escala real. Li et al. (2014) destacam o projeto de um sistema de controle para um trator elétrico hibrído de média potência com barramento CAN. O artigo se prende mais ao projeto de software e hardware do referido sistema de controle. Na Figura 3 tem-se o diagrama do projeto apresentado pelos autores. Observa-se que nesse projeto são propostas várias UCEs, cada uma para um subsistema específico, conectadas a um barramento CAN..

(31) 30. Figura 3 - Diagrama do sistema de controle com barramento CAN em trator elétrico híbrido. Fonte: LI et al. (2014).. Chen et al. (2016) apresentaram um sistema de controle de acionamento para um protótipo de trator elétrico utilizando um motor Brushless DC (BLDC), de tensão nominal de 72 V e potência nominal de 7,5kW (Figura 4). Foi implementado como estratégia de controle do acionamento do motor o controle PID de circuito fechado duplo com velocidade externa e loop de corrente interna combinados com o controle PWM. O controlador do motor foi projetado com base em FPGA (onde o hardware usou o NI myRIO como núcleo de controle que integrou o ARM ao Xilinx FPGA). Foi utilizado o LabVIEW como ambiente de desenvolvimento para programação de controle, conforme descrevem Chen et al. (2016). Figura 4 - Protótipo trator elétrico desenvolvido por Chen et al. (2016). Fonte: CHEN et al. (2016).. Outro trabalho encontrado na literatura recente trata do projeto de uma estratégia de controle baseada em torque de carga (Load Torque Control Strategy - LTCS) para melhorar a eficiência de conversão de energia do motor Brushless DC (BLDC) de 130 kW para um trator.

(32) 31. elétrico (puro ou híbrido), proposto por Liu et al. (2016). O estudo mostra a modelagem matemática e a análise de desempenho por meio de simulação da estratégia proposta. A Figura 5 destaca a representação esquemática da função de controle para o sistema de propulsão elétrica proposto. Figura 5 - Representação esquemática da função de controle LTCS. Fonte: LIU et al. (2016).. Durante o processo investigativo constatou-se que pesquisas relacionadas a sistemas de propulsão aplicados diretamente a tratores elétricos e respectivas análises de desempenhos ainda são pouco discutidos na literatura, comparado com a aplicação em veículos urbanos. Verificou-se, ainda, que nas abordagens encontradas há o amplo domínio da utilização de um único motor elétrico como meio de propulsão (resumo no Quadro 3). Portanto, um sistema de propulsão com estrutura distribuída para um trator elétrico de pequeno porte adequado para a agricultura familiar não foi encontrado na literatura. Tão pouco sua análise de desempenho. Verificou-se que, mesmo que tecnologias avançadas já venham sendo utilizadas em tratores agrícolas, as especificidades de uso e a conveniência de usar os combustíveis fósseis ainda dificultam a disseminação dos tratores elétricos. Assim, com os resultados da pesquisa bibliográfica apresentada evidencia-se que há, no mercado e na literatura, poucas proposições que atendam especificamente às necessidades dos pequenos produtores rurais com tratores elétricos de pequeno porte e baixa potência compatíveis com seus níveis de atividades (com grande capacidade de manobrar em pequenos espaços e menor custo de aquisição). Consequentemente, tratores elétricos de pequeno porte e baixa potência, dentro de uma faixa de 2 a 27 kW (equiparados aos.

(33) 32. motocultores e microtratores vistos no Quadro 2), tornam-se uma alternativa viável, capaz de proporcionar melhorias significativas para a agricultura familiar (sendo capaz de acoplar diversos implementos agrícolas, como reboques, cultivadores, semeadoras e pulverizadores compatíveis) e contribuir para a sustentabilidade por meio do uso de energia limpa. Sua utilização com um sistema de micro geração distribuída de energia por meio de fontes eólica e solar fotovoltaica conectado à rede rural (ou em casos de propriedades isoladas do sistema de distribuição) fortalece o novo conceito da agricultura sustentável e renova as perspectivas dos pequenos agricultores de melhorar a capacidade produtiva. Quadro 3 - Projetos relacionados a tratores elétricos. AUTORES RODRIGUES et al. (2006). QUANT. DE MOTORES DE TRAÇÃO 1. CHEN et al. (2016). 1. ARJHARN et al. (2001a; b) UEKA et al. (2013). 1 1. Escorts Group (2017). 1. SEO et al. (2013). 1. Fendt (2017) New Holland (2009-2011) LIU et al. (2016). 1 1 1. John Deere (2017). 1. TIPO DE MOTOR. POTÊNCIA. Motor de indução CA ou Motor CC Motor Brushless DC (BLDC) Motor CC Motor de indução CA Motor de indução CA Motor síncrono de ímã permanente Motor Brushless DC (BLDC) -. 2,2 kW 7,5kW 10 kW 10 kW 19 kW 20 kW 50 kW 100 kW 130 kW 150 kW. Fonte: Elaborado pelo autor.. O presente projeto concentra-se em mobilidade elétrica no âmbito rural, mas outras áreas temáticas, como energias renováveis e infraestruturas (redes inteligentes), também estão integradas. Um sistema de geração distribuída consiste em unidades de geração em pequena escala diretamente conectadas à rede de distribuição, resultando em fluxos de energia bidirecional (EHSAN; YANG, 2018). Como alternativa para uso do trator elétrico com maior autonomia, propõe-se a utilização de um novo sistema com pivô central de dupla função: irrigação automatizada e conexão do trator elétrico a uma micro rede via cabo (Figura 6). Dentro do alcance do sistema, o fornecimento de energia por cabo alimentará o trator e simultaneamente recarregará as baterias. Ao trabalhar ou mover-se fora do alcance do sistema com cabo articulado, o trator elétrico utilizará as baterias como fonte de energia e o sistema.

(34) 33. com pivô central atuará com a irrigação automatizada. Outra opção para ampliar o uso do trator de forma independente é a utilização de um banco de baterias reserva para troca rápida (VOGT, 2018). Figura 6 - Micro geração distribuída para a agricultura familiar. Rede Elétrica Rural (CA) Sistema de Controle. Residência Rural. 2. 3. 1. +. -. 4 CA. CA. CC. CC. CC. CC. CC. CC. CC. CC. Micro-rede (CC) 1 - Gerador Eólico 2 - Painéis fotovoltáicos 3 - Bateria Auxiliar (Reboque para transporte ) 4 - Pivô Central (Irrigação / Conexão Trator Elétrico) Fonte: Elaborada pelo autor.. A agricultura familiar tem sido grande aliada da sustentabilidade e da responsabilidade socioambiental. Ela utiliza práticas de cultivo mais sustentáveis com a produção de alimentos orgânicos. O acesso a eletricidade no âmbito rural propicia a introdução de inovações tecnológicas, sendo um fator determinante para a maior produtividade e melhor qualidade dos processos produtivos agrícolas. O programa de eletrificação rural “Luz para Todos” (BRASIL, 2017) tem contribuído significativamente para atender à necessidade de acesso à energia elétrica e melhorar as condições de vida do homem no campo e aumentar a produção de alimentos. Os empreendimentos familiares rurais também apresentam grande potencial para micro geração de energia por meio de novas fontes de energia limpa e renovável. E dentro dessa concepção, o FNE Sol (BNB, 2019) é um exemplo de programa que tem contribuído para a expansão da utilização dessas novas fontes nas áreas rurais. Trata-se de um programa de financiamento para a instalação de projetos sustentáveis de fontes renováveis.